JPH06150944A - Fuel cell electrode - Google Patents
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- JPH06150944A JPH06150944A JP4302687A JP30268792A JPH06150944A JP H06150944 A JPH06150944 A JP H06150944A JP 4302687 A JP4302687 A JP 4302687A JP 30268792 A JP30268792 A JP 30268792A JP H06150944 A JPH06150944 A JP H06150944A
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- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池用電極に係
り、特に、触媒層の構成の改良に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell electrode, and more particularly to improvement of the structure of a catalyst layer.
【０００２】[0002]
【従来の技術】燃料の有しているエネルギーを直接電気
エネルギーに変換する装置として、燃料電池が知られて
いる。この燃料電池は、通常、電解質保持層を挟んで一
対の電極を配置すると共に、一方の電極の背面に水素な
どの燃料ガスを接触させ、他方の電極の背面に酸素など
の酸化剤ガスを接触させ、このときに起こる電気化学的
反応を利用して、一対の電極から電気エネルギーを取り
出すように構成したものである。2. Description of the Related Art A fuel cell is known as a device for directly converting the energy of a fuel into electric energy. In this fuel cell, usually, a pair of electrodes are arranged with an electrolyte holding layer sandwiched between them, a fuel gas such as hydrogen is brought into contact with the back surface of one electrode, and an oxidant gas such as oxygen is brought into contact with the back surface of the other electrode. The electrochemical reaction that takes place at this time is utilized to take out electrical energy from the pair of electrodes.
【０００３】また、このような燃料電池においては、電
解質として、溶融炭酸塩、アルカリ溶液、酸性溶液など
の各種の電解質が使用されているが、代表的には、リン
酸が使用されている。したがって、以下には、リン酸を
電解質とする燃料電池を例として説明する。Further, in such a fuel cell, various electrolytes such as molten carbonate, alkaline solution, and acidic solution are used as electrolytes, but phosphoric acid is typically used. Therefore, a fuel cell using phosphoric acid as an electrolyte will be described below as an example.
【０００４】すなわち、図５に示すように、一対の電極
（アノード１およびカソード２）が対向して配置され、
その間にリン酸を保持してなるマトリックス層（電解質
保持層）３が配置されている。この場合、アノード１お
よびカソード２は、導電性の多孔質基体１ａ，２ａと、
この多孔質基体１ａ，２ａ上に塗布された触媒層４から
構成されている。また、マトリックス層（電解質保持
層）３は、マトリックス基体と、この基体に含浸された
リン酸から構成されている。さらに、アノード１の背面
には、燃料ガスが流れる燃料ガス流路５が形成され、ま
た、カソード２の背面には、酸化剤ガスが流れる酸化剤
ガス流路６が形成されている。That is, as shown in FIG. 5, a pair of electrodes (anode 1 and cathode 2) are arranged facing each other,
A matrix layer (electrolyte holding layer) 3 holding phosphoric acid is arranged therebetween. In this case, the anode 1 and the cathode 2 have conductive porous substrates 1a and 2a,
It is composed of the catalyst layer 4 applied on the porous substrates 1a and 2a. The matrix layer (electrolyte holding layer) 3 is composed of a matrix substrate and phosphoric acid impregnated in the substrate. Further, a fuel gas passage 5 through which a fuel gas flows is formed on the back surface of the anode 1, and an oxidant gas passage 6 through which an oxidant gas flows is formed on the back surface of the cathode 2.
【０００５】このような燃料電池（単位セル）は、具体
的には、次のようにして形成される。すなわち、多孔質
基体１ａ，２ａとして、カーボンペーパーあるいはその
他のガス流路溝付きのカーボン製の多孔質基体１ａ，２
ａを使用し、この多孔質基体１ａ，２ａ上にカーボン担
持の白金あるいは白金をベースとした合金触媒をテフロ
ン系の結着剤と混錬してなる材料を塗布し、この後、不
活性ガス中において焼成することにより、アノード１お
よびカソード２を形成する。この場合、アノード１およ
びカソード２上の触媒層４は、電極面全体に均一に形成
され、その中に含まれる活性成分、すなわち、白金微粒
子あるいは白金をベースとした合金微粒子も均一に分布
されている。また、ＳｉＣなどの耐電解質性の微粒子ま
たは繊維質シートからなる多孔質性のマトリックス基体
中にリン酸を含浸、保持させてマトリックス層３を形成
する。そして、前記のようにして形成されたアノード１
およびカソード２間に、マトリックス層３を介在させ
て、これらを一体化し、図５に示すような燃料電池（単
位セル）を形成する。Specifically, such a fuel cell (unit cell) is formed as follows. That is, as the porous substrates 1a and 2a, carbon paper or other carbon-made porous substrates 1a and 2 with gas channel grooves are provided.
a is used, and a material prepared by kneading carbon-supported platinum or a platinum-based alloy catalyst with a Teflon-based binder is coated on the porous substrates 1a and 2a, and then an inert gas is used. The anode 1 and the cathode 2 are formed by baking in the inside. In this case, the catalyst layer 4 on the anode 1 and the cathode 2 is uniformly formed on the entire electrode surface, and the active components contained therein, that is, the platinum fine particles or the platinum-based alloy fine particles are also uniformly distributed. There is. Further, the matrix layer 3 is formed by impregnating and holding phosphoric acid in a porous matrix substrate made of electrolyte resistant fine particles such as SiC or a fibrous sheet. Then, the anode 1 formed as described above
The matrix layer 3 is interposed between the cathode 2 and the cathode 2, and these are integrated to form a fuel cell (unit cell) as shown in FIG.
【０００６】一方、この燃料電池の運転にあたっては、
アノード１およびカソード２の背面の燃料ガス流路５お
よび酸化剤ガス流路６に、水素を主成分とする燃料ガス
および酸化剤ガス（通常は空気）をそれぞれ流通させる
ことにより、前述したように、電気化学的反応を利用し
て、電極１，２間から電気エネルギーを取り出すことが
できる。この場合、図中７は燃料ガス流、８は酸化剤ガ
ス流をそれぞれ示している。そして、このように燃料ガ
スおよび酸化剤ガスが供給されている限り、高い変換効
率で電気エネルギーを取り出すことができるが、一般的
に、一枚の電池（単位セル）の出力電圧は小さい（０．
８Ｖ程度）ため、実用機では、複数の単位セルを直列に
積層して電池スタックを形成している。On the other hand, when operating this fuel cell,
As described above, a fuel gas containing hydrogen as a main component and an oxidant gas (usually air) are circulated in the fuel gas flow channel 5 and the oxidant gas flow channel 6 on the back surfaces of the anode 1 and the cathode 2, respectively. , Electrical energy can be taken out between the electrodes 1 and 2 by utilizing an electrochemical reaction. In this case, in the figure, 7 indicates the fuel gas flow and 8 indicates the oxidant gas flow. Then, as long as the fuel gas and the oxidant gas are supplied in this manner, electric energy can be extracted with high conversion efficiency, but in general, the output voltage of one battery (unit cell) is small (0 ．
Therefore, in a practical machine, a plurality of unit cells are stacked in series to form a battery stack.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】ところで、前述したよ
うな従来の燃料電池用電極には、次に示すような問題点
が存在している。By the way, the above-mentioned conventional fuel cell electrodes have the following problems.
【０００８】まず、特に大型の電極においては、ガス流
通ラインの下流側で局部的に反応ガスが消費され、その
分圧が低下してくる。例えば、カソードに供給する酸化
剤ガスとして、空気を供給した場合、下流側において局
部的に酸素が消費され、同部の酸素分圧が低下し、活性
化分極および濃度分極が増大する。この結果、電極の下
流側の電流密度が上流側よりも小さくなり、電極平面に
おける電流密度が不均一になる可能性が高くなる。そし
て、このような電極平面における電流密度の不均一化
は、燃料電池の出力性能の低下につながる。First, in a particularly large electrode, the reaction gas is locally consumed on the downstream side of the gas flow line, and the partial pressure thereof is reduced. For example, when air is supplied as the oxidant gas to be supplied to the cathode, oxygen is locally consumed on the downstream side, the oxygen partial pressure in the part is reduced, and activation polarization and concentration polarization are increased. As a result, the current density on the downstream side of the electrode becomes smaller than that on the upstream side, and there is a high possibility that the current density on the electrode plane becomes non-uniform. Then, such nonuniformity of the current density on the electrode plane leads to a reduction in the output performance of the fuel cell.
【０００９】例えば、文献「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉ
ｃａ Ａｃｔａ」（Ｓ．Ｃ．Ｙａｎｇ他、 ３５ ８６
９、 １９９０年）においては、上記のような状態を模
擬した場合の電圧損解析についての報告が記載されてい
る。すなわち、この文献においては、上流側のカソード
流通ガスの組成が、［２１％Ｏ2 ＋７９％Ｎ2 ］…ガス
組成（１）であり、下流側のカソード流通ガスの組成
が、［１０．０８％Ｏ2＋８９．９２％Ｎ2 ］…ガス組
成（２）である場合の、２００ｍＡ／ｃｍ2 の一定負荷
電流における電極各部の電圧損解析が記載されている。
そして、この解析の結果、ガス組成が、前記（１）から
（２）へ移行すると、電極の基体、触媒層などの各部に
おける拡散分極が増大し、全体の電圧損が、２８．２ｍ
Ｖから３３．５ｍＶへと増大したことが報告されてい
る。[0009] For example, the document "Electrochimi
ca Acta "(SC Yang et al., 35 86)
9, 1990) describes a voltage loss analysis in the case of simulating the above condition. That is, in this document, the composition of the cathode flow gas on the upstream side is [21% O 2 + 79% N 2 ] ... Gas composition (1), and the composition of the cathode flow gas on the downstream side is [10.08. % O 2 + 89.92% N 2 ] ... In the case of the gas composition (2), the voltage loss analysis of each part of the electrode at a constant load current of 200 mA / cm 2 is described.
As a result of this analysis, when the gas composition shifts from (1) to (2), the diffusion polarization in each part of the electrode substrate, the catalyst layer, etc. increases, and the overall voltage loss is 28.2 m.
It has been reported to increase from V to 33.5 mV.
【００１０】このように、電極に一定の負荷電流を流し
た場合、電極の下流側においては、電圧損が増大し、電
流密度が低下することになる。なお、前述の解析例にお
いては、一例として、負荷電流を２００ｍＡ／ｃｍ2 と
した場合の電圧損の値を示したが、この電圧損は、負荷
電流が大きくなるにしたがってさらに増大することにな
る。As described above, when a constant load current is applied to the electrodes, the voltage loss increases and the current density decreases on the downstream side of the electrodes. In the above-mentioned analysis example, as an example, the value of the voltage loss when the load current is 200 mA / cm 2 is shown, but this voltage loss further increases as the load current increases. .
【００１１】また、従来、電極の触媒層については、そ
の厚さの均一化を図ること、表面層に亀裂などが生じて
いないことなどの外観面あるいは形態面についてのみ、
各種の改善策が提案されている反面、触媒層内における
白金微粒子あるいは白金をベースとした合金微粒子など
の活性成分の利用率の向上に関しては、具体的な改善策
はほとんど提案されていない。Conventionally, regarding the catalyst layer of the electrode, only the appearance or morphological aspects such as making the thickness uniform and not causing cracks in the surface layer,
While various improvement measures have been proposed, few specific improvement measures have been proposed for improving the utilization rate of active components such as platinum particles or platinum-based alloy particles in the catalyst layer.
【００１２】本発明は、上記のような従来技術の課題を
解決するために提案されたものであり、その目的は、触
媒層の構成を改良して、電極平面の電流密度を均一化す
るかまたは活性成分の利用率を向上することにより、燃
料電池の出力性能の向上に貢献可能な燃料電池用電極を
提供することである。The present invention has been proposed in order to solve the problems of the prior art as described above, and its purpose is to improve the structure of the catalyst layer to make the current density of the electrode plane uniform. Another object of the present invention is to provide a fuel cell electrode capable of contributing to the improvement of the output performance of a fuel cell by improving the utilization rate of the active ingredient.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明は、導電性の多孔
質基体の片側の表面上に触媒層を有し、燃料電池の運転
時には、反対側の表面上にその表面に沿った方向で反応
ガスを流通して発電に供する燃料電池用電極において、
触媒層の構成を改善したものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has a catalyst layer on one surface of a conductive porous substrate which, when operating in a fuel cell, is oriented along the surface on the opposite surface. In a fuel cell electrode that distributes a reaction gas for power generation,
The structure of the catalyst layer is improved.
【００１４】まず、請求項１の発明においては、触媒層
を、その活性成分の濃度が反応ガスの流通ラインの上流
側から下流側に向かって段階的または連続的に上昇する
ように構成したことを特徴としている。また、請求項２
の発明においては、触媒層を、多孔質基体側の第１層と
表面側の第２層とからなる２層構造とし、第２層の活性
成分の濃度が第１層の活性成分の濃度より高くなるよう
に構成したことを特徴としている。First, in the invention of claim 1, the catalyst layer is constructed so that the concentration of the active component thereof increases stepwise or continuously from the upstream side to the downstream side of the reaction gas flow line. Is characterized by. In addition, claim 2
In the invention, the catalyst layer has a two-layer structure consisting of the first layer on the porous substrate side and the second layer on the surface side, and the concentration of the active ingredient in the second layer is higher than the concentration of the active ingredient in the first layer. It is characterized by being configured to be high.
【００１５】[0015]
【作用】以上のように構成された本発明の作用は次の通
りである。すなわち、まず、請求項１の発明において
は、電極の触媒層の活性成分の濃度を上流側から下流側
に向かって段階的または連続的に上昇させているため、
電極平面内のガス流通ラインの下流部における濃度分極
を低下させ、同部における電圧損を低下させることがで
きる。そのため、電極平面の全体にわたって均一な電流
密度を得ることができ、それによって、燃料電池の出力
性能を向上できる。The operation of the present invention constructed as described above is as follows. That is, first, in the invention of claim 1, since the concentration of the active component of the catalyst layer of the electrode is increased stepwise or continuously from the upstream side to the downstream side,
It is possible to reduce the concentration polarization in the downstream portion of the gas flow line in the electrode plane and reduce the voltage loss in the same portion. Therefore, a uniform current density can be obtained over the entire electrode plane, which can improve the output performance of the fuel cell.
【００１６】次に、請求項２の発明においては、電極の
触媒層における表面側の第２層の活性成分の濃度を、第
１層の活性成分の濃度より高くしているため、電極の表
面における反応速度を上昇させることができ、それによ
って、燃料電池の出力性能を向上できる。以下には、こ
の点について、より詳細に説明する。Next, in the invention of claim 2, since the concentration of the active ingredient of the second layer on the surface side of the catalyst layer of the electrode is made higher than the concentration of the active ingredient of the first layer, the surface of the electrode is It is possible to increase the reaction rate in the fuel cell, thereby improving the output performance of the fuel cell. Hereinafter, this point will be described in more detail.
【００１７】すなわち、請求項２の発明は、燃料電池用
のガス拡散電極の作動モデルについて理論的に解析した
Ｃｕｔｌｉｐらの報告（Ｓ．Ｃ．Ｙａｎｇ，Ｍ．Ｂ．Ｃ
ｕｔｌｉｐ ａｎｄ Ｐ．Ｓｔｏｎｅｈａｒｔ、 Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃｓＡｃｔｅｓ ３５，８６９，
１９９０）を参考にして以下のような検討を行った結果
提案されたものである。That is, the invention of claim 2 is a report of Cutlip et al. (SC Yang, MBC) which theoretically analyzes an operation model of a gas diffusion electrode for a fuel cell.
utlip and P.P. Stonehart, El
microchims Actes 35 , 869,
It was proposed as a result of the following examination with reference to (1990).
【００１８】まず、上記文献中において、Ｃｕｔｌｉｐ
らはＰＡＦＣのカソードとして使われる多孔質ガス拡散
電極への実際的モデルの体系的な適用を示している。こ
のモデル式においては、電極反応に関与するまでのプロ
セスが、次のような複数のステップ（１）〜（７）とし
て認識されている。First, in the above literature, Cutlip
Et al. Show the systematic application of a practical model to a porous gas diffusion electrode used as the cathode of a PAFC. In this model formula, the process up to the involvement in the electrode reaction is recognized as the following multiple steps (1) to (7).
【００１９】すなわち、（１）多孔質基体内のガス拡
散、（２）電極の撥水層を通してのガス拡散、（３）触
媒を覆っている電解質薄膜表面上の電解質中の反応体と
ガス状反応体との間の相平衡、（４）溶解した反応体の
液膜を通しての拡散、（５）触媒層間における電気化学
反応を伴う溶解反応体の拡散、（６）電極の電解質相を
通してのイオン輸送、（７）電極の固相を通しての電子
輸送、という複数のステップである。That is, (1) gas diffusion in the porous substrate, (2) gas diffusion through the water repellent layer of the electrode, and (3) reactants and gaseous state in the electrolyte on the surface of the electrolyte thin film covering the catalyst. Phase equilibrium with reactants, (4) Diffusion of dissolved reactants through a liquid film, (5) Diffusion of dissolved reactants with electrochemical reaction between catalyst layers, (6) Ions through electrolyte phase of electrode Transport, (7) electron transport through the solid phase of the electrode.
【００２０】このような一連のステップの存在を前提と
した上で、このプロセス中に含まれる種々の物性パラメ
ータとして、実験値から見積もられる妥当な値を代入
し、実際のカソード反応をシミュレートして解析を行っ
たところ、以下のような結論（１）〜（４）が得られ
た。On the premise of the existence of such a series of steps, various physical property parameters included in this process were substituted with appropriate values estimated from experimental values to simulate an actual cathode reaction. The following conclusions (1) to (4) were obtained as a result of the analysis.
【００２１】（１）電極内のイオン輸送がかなりの抵抗
を与えている。 （２）電極内における反応速度の分布を調べると、電極
／電解質界面における反応速度が最大となっている。 （３）電極性能に対する電極の厚さの効果を検討する
と、最適な電極の厚さが存在する。 （４）ガス利用率の電極特性に与える効果を考慮する
と、ガス流の下流側における電極構造を改善する余地が
ある。(1) The ion transport in the electrode gives a considerable resistance. (2) When the distribution of the reaction rate inside the electrode is examined, the reaction rate at the electrode / electrolyte interface is the maximum. (3) Considering the effect of electrode thickness on electrode performance, there is an optimum electrode thickness. (4) Considering the effect of the gas utilization rate on the electrode characteristics, there is room for improving the electrode structure on the downstream side of the gas flow.
【００２２】シミュレーションによる解析から得られた
上記の結論（１）〜（４）のうち、電極触媒層の改善と
いう観点から結論（２）に着目し、以下のような改善策
を見出した。Of the above conclusions (1) to (4) obtained from the analysis by simulation, the conclusion (2) was focused from the viewpoint of improving the electrode catalyst layer, and the following improvement measures were found.
【００２３】すなわち、上記の結論（２）の結果を定量
的に図示したものが図４である。図４は電極触媒層内の
カソード反応の反応速度を位置の関数として、各分極電
流密度において示したものである。なお、同図におい
て、Ｘ／Ｌ＝１の点は電極／電解質界面の位置を表して
おり、Ｘ／Ｌ＝０は電極サブストレート／ガス相界面の
位置を表している。That is, FIG. 4 quantitatively illustrates the result of the above conclusion (2). FIG. 4 shows the reaction rate of the cathode reaction in the electrode catalyst layer as a function of position at each polarization current density. In the figure, the point of X / L = 1 represents the position of the electrode / electrolyte interface, and X / L = 0 represents the position of the electrode substrate / gas phase interface.
【００２４】図４より明らかなように、カソード反応の
速度は電極／電解質界面相において最も高く、触媒層内
部に進行するに従ってその速度は低下している。したが
って、電極触媒層においては、その表面部における反応
速度が最も高い。このことは、電極触媒層における活性
成分の利用率が、その表面部において最も高くなってい
ることを表している。したがって、この触媒層表面部に
おける活性成分の濃度を触媒層内部における活性成分の
濃度よりも高くすることにより、触媒層内の活性成分の
利用率を最大限に高め、その触媒機能を最大限に発揮で
きると考えられる。As is clear from FIG. 4, the rate of the cathode reaction is highest in the electrode / electrolyte interface phase, and the rate decreases as it progresses inside the catalyst layer. Therefore, in the electrode catalyst layer, the reaction rate on the surface portion is the highest. This means that the utilization rate of the active component in the electrode catalyst layer is highest on the surface portion. Therefore, by making the concentration of the active ingredient in the catalyst layer surface portion higher than the concentration of the active ingredient in the catalyst layer, the utilization rate of the active ingredient in the catalyst layer is maximized and its catalytic function is maximized. It is thought that it can be demonstrated.
【００２５】[0025]
【実施例】以下には、本発明による燃料電池用電極の実
施例について、図面を参照して説明する。EXAMPLES Examples of the fuel cell electrode according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
【００２６】（１）第１実施例…図１ まず、請求項１に基づく第１実施例について、図１を参
照して説明する。この場合、図１は、本発明に基づく燃
料電池用電極を使用した燃料電池（単位セル）の構成を
模式的に示す分解斜視図である。なお、図５に示した従
来例と同一部分には、同一符号を付し、説明を省略す
る。(1) First Embodiment ... FIG. 1 First, a first embodiment according to claim 1 will be described with reference to FIG. In this case, FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing the structure of a fuel cell (unit cell) using the fuel cell electrode according to the present invention. It should be noted that the same parts as those of the conventional example shown in FIG.
【００２７】この図１に示すように、本実施例において
は、カソード２の触媒層４のみを３分割構造として、活
性成分である白金の濃度を段階的に上昇させ、アノード
１の触媒層４は、従来と同様な均一の濃度とした。すな
わち、カソード２については、撥水処理を施した１００
ｍｍ平方のカーボンペーパーを多孔質基体２ａとして、
その平面を、酸化剤ガス流８の上流側から２２％の面積
の第１領域２１と、中間部分の５５％の面積の第２領域
２２と、最下流部分の２３％の面積の第３領域２３とに
分け、第１領域２１に５ｗｔ％白金含有のカーボン担持
白金触媒０．１ｇをスプレー塗布し、第２領域２２に１
０ｗｔ％白金含有のカーボン担持白金触媒０．２５ｇを
スプレー塗布し、第３領域２３に２０ｗｔ％の白金含有
のカーボン担持白金触媒０．１ｇをスプレー塗布し、表
面全体を圧着して触媒層４を形成した。この場合、各領
域２１〜２３における触媒中のＰＴＦＥ接着剤含有量
は、４０ｗｔ％とした。そして、Ｎ2 雰囲気中３５０℃
で２０分間焼成して、カソード２を作製した。また、ア
ノード１については、カソード２と同じ１００ｍｍ平方
のカーボンペーパーを多孔質基体１ａとして、その上
に、５ｗｔ％白金含有のカーボン担持白金触媒０．２５
ｇ（ＰＴＦＥ接着剤含有量４０ｗｔ％）を一様にスプレ
ー塗布し圧着して均一な触媒層４を形成し、これを焼成
してアノード１を作製した。そして、これらのアノード
１およびカソード２を、ＳｉＣを基材としたリン酸保持
のマトリックス層３を介在させて一体化し、単位セル
（本発明セル）を作製した。As shown in FIG. 1, in the present embodiment, only the catalyst layer 4 of the cathode 2 has a three-divided structure, and the concentration of platinum as an active component is increased stepwise, and the catalyst layer 4 of the anode 1 is formed. Was a uniform concentration similar to the conventional one. That is, with respect to the cathode 2, 100
mm square carbon paper is used as the porous substrate 2a,
A first region 21 having an area of 22% from the upstream side of the oxidant gas flow 8, a second region 22 having an area of 55% in the middle portion, and a third region having an area of 23% in the most downstream portion are provided on the plane. 23, and 0.1 g of a carbon-supported platinum catalyst containing 5 wt% platinum is spray-applied to the first region 21 and 1 is applied to the second region 22.
0.25 g of carbon-supported platinum catalyst containing 0 wt% platinum is spray-coated, 0.1 g of carbon-supported platinum catalyst containing 20 wt% platinum is spray-coated on the third region 23, and the entire surface is pressure-bonded to form the catalyst layer 4. Formed. In this case, the content of the PTFE adhesive in the catalyst in each of the regions 21 to 23 was 40 wt%. And 350 ° C. in N 2 atmosphere
And baked for 20 minutes to prepare a cathode 2. For the anode 1, the same 100 mm square carbon paper as the cathode 2 was used as the porous substrate 1a, and 5 wt% platinum-containing carbon-supported platinum catalyst 0.25 was added thereon.
g (PTFE adhesive content 40 wt%) was uniformly spray-coated and pressure-bonded to form a uniform catalyst layer 4, which was then fired to produce the anode 1. Then, the anode 1 and the cathode 2 were integrated by interposing the phosphoric acid-holding matrix layer 3 having SiC as a base material to prepare a unit cell (cell of the present invention).
【００２８】一方、比較のために、本発明セルと同じ多
孔質基体２ａの上に、本発明セルのカソードの全体の白
金含有量と同じ白金含有量を有するカーボン担持白金触
媒、すなわち、１０ｗｔ％白金含有のカーボン担持白金
触媒０．５ｇ（ＰＴＦＥ接着剤含有量４０ｗｔ％）を一
様に塗布し圧着して均一な触媒層４を形成し、これを焼
成してカソード２を作製するとともに、本発明セルと同
じアノード１を作製した。これらのアノード１およびカ
ソード２を、ＳｉＣを基材としたリン酸保持のマトリッ
クス層３を介在させて一体化し、単位セル（従来セル）
を作製した。On the other hand, for comparison, on the same porous substrate 2a as the cell of the present invention, a carbon-supported platinum catalyst having the same platinum content as the total platinum content of the cathode of the cell of the present invention, ie, 10 wt%. Platinum-containing carbon-supported platinum catalyst 0.5 g (PTFE adhesive content 40 wt%) is uniformly applied and pressure-bonded to form a uniform catalyst layer 4, which is fired to form the cathode 2 and The same anode 1 as the invention cell was prepared. These anode 1 and cathode 2 are integrated by interposing a phosphoric acid-holding matrix layer 3 based on SiC as a unit cell (conventional cell).
Was produced.
【００２９】そして、以上のように形成した本発明セル
と従来セルとについて、酸化剤として空気を、燃料ガス
としてＨ2 ７０％＋ＣＯ2 ３０％の天然ガス改質模擬ガ
スを流通し、常圧、２０７℃の条件における出力特性を
調べたところ、図２に示すような結果が得られた。この
図２に示すように、本発明セルは、負荷電流２００ｍＡ
／ｃｍ2 における端子電圧が、従来セルに比べて約５ｍ
Ｖ上昇した。Then, regarding the cell of the present invention and the conventional cell formed as described above, air as an oxidant and a natural gas reforming simulation gas of H 2 70% + CO 2 30% as a fuel gas were circulated at atmospheric pressure. When the output characteristics under the conditions of 207 ° C. were examined, the results shown in FIG. 2 were obtained. As shown in FIG. 2, the cell of the present invention has a load current of 200 mA.
Terminal voltage at / cm 2 is about 5m compared to conventional cell
V rose.
【００３０】このように、本発明セルのカソード中の白
金含有量が従来セルの白金含有量と同一であるにもかか
わらず、本発明セルの特性が向上したのは、本発明セル
のカソード２における白金の濃度が、下流側に向かって
段階的に上昇していることから、カソード２のガス流の
下流部における濃度分極が低下し、その結果、電圧損が
低下し、カソード２の電極平面全体としての性能が向上
したためであると考えられる。そして、このような方法
を用いることにより、白金などの活性成分の使用量を増
やすことなく電池性能を向上させることができ、電池本
体のコストダウンが可能となる。また、カソード中の全
白金含有量を従来より減らしても、上記のように白金の
濃度を下流側に向かって段階的に上昇させることによ
り、従来と同等の電池性能を実現することができる。As described above, although the platinum content in the cathode of the cell of the present invention was the same as the platinum content of the conventional cell, the characteristics of the cell of the present invention were improved because the cathode 2 of the cell of the present invention was improved. Since the concentration of platinum in the cathode 2 gradually increases toward the downstream side, the concentration polarization in the downstream portion of the gas flow of the cathode 2 decreases, and as a result, the voltage loss decreases and the electrode plane of the cathode 2 decreases. This is probably because the performance as a whole was improved. Then, by using such a method, the battery performance can be improved without increasing the amount of the active component such as platinum used, and the cost of the battery body can be reduced. Further, even if the total platinum content in the cathode is reduced as compared with the conventional one, the battery performance equivalent to that of the conventional one can be realized by gradually increasing the platinum concentration toward the downstream side as described above.
【００３１】なお、前記第１実施例においては、カソー
ド２の電極平面を３分割し、ガス流の下流側に向かって
その活性成分である白金の濃度を段階的に上昇させるよ
うに形成したが、活性成分の濃度を連続的に上昇させる
ようにし、かつ、カソード２全体の白金含有量は、前記
第１実施例のセルおよび従来セルの白金含有量と同一と
なるようにして形成した電極を使用することも可能であ
る。このように構成した場合にも、前記第１実施例と同
様に、従来セルよりも出力特性を向上することができ
る。この変形例において、具体的には、負荷電流２００
ｍＡ／ｃｍ2 における端子電圧が、従来セルに比べて約
７ｍＶ上昇することが確認されている。In the first embodiment, the electrode plane of the cathode 2 was divided into three parts, and the concentration of platinum as the active component thereof was increased stepwise toward the downstream side of the gas flow. An electrode formed so that the concentration of the active component is continuously increased and the platinum content of the entire cathode 2 is the same as the platinum content of the cell of the first embodiment and the platinum content of the conventional cell. It is also possible to use. Even in the case of such a configuration, the output characteristics can be improved as compared with the conventional cell as in the first embodiment. In this modification, specifically, the load current 200
It has been confirmed that the terminal voltage at mA / cm 2 is increased by about 7 mV as compared with the conventional cell.
【００３２】（２）第２実施例…図３ 次に、請求項２に基づく第２実施例について、図３を参
照して説明する。この場合、図３は、本発明に基づく燃
料電池用電極を使用した燃料電池（単位セル）の構成を
模式的に示す分解斜視図である。(2) Second Embodiment ... FIG. 3 Next, a second embodiment according to claim 2 will be described with reference to FIG. In this case, FIG. 3 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of a fuel cell (unit cell) using the fuel cell electrode according to the present invention.
【００３３】この図３に示すように、本実施例において
は、カソード２の触媒層４のみを２層構造とし、アノー
ド１の触媒層４は、従来と同様に単層構造とした。すな
わち、カソード２については、撥水処理を施した１００
ｍｍ平方のカーボンペーパーを多孔質基体２ａとして、
その上に、４０ｗｔ％のＰＴＦＥ接着剤を含有した５ｗ
ｔ％白金含有のカーボン担持白金触媒０．３ｇをスプレ
ー塗布し圧着して触媒層４の第１層４ａを形成した後、
この第１層４ａと同一量のＰＴＦＥ接着剤を含有した２
０ｗｔ％白金含有のカーボン担持白金触媒０．１７５ｇ
をスプレー塗布し圧着して第２層４ｂを形成し、これを
Ｎ2 雰囲気中３５０℃で２０分間焼成して、カソード２
を作製した。このカソード２において、活性成分である
白金の含有量の多い表面側の第２層４ｂの厚さは、第１
層４ａの厚さよりも薄くなった。また、アノード１につ
いては、カソード２と同じ１００ｍｍ平方のカーボンペ
ーパーを多孔質基体１ａとして、その上に、５ｗｔ％白
金含有のカーボン担持白金触媒０．２５ｇに、ＰＴＦＥ
接着剤をその含有量が５０ｗｔ％となるように添加して
なる混合物をスプレー塗布し圧着して単層の触媒層４を
形成し、これを焼成してアノード１を作製した。そし
て、これらのアノード１およびカソード２を、ＳｉＣを
基材としたリン酸保持のマトリックス層３を介在させて
一体化し、単位セル（本発明セル）を作製した。As shown in FIG. 3, in this embodiment, only the catalyst layer 4 of the cathode 2 has a two-layer structure, and the catalyst layer 4 of the anode 1 has a single-layer structure as in the conventional case. That is, with respect to the cathode 2, 100
mm square carbon paper is used as the porous substrate 2a,
5w with 40wt% PTFE adhesive on it
After 0.3 g of a carbon-supported platinum catalyst containing t% platinum was spray-coated and pressure-bonded to form the first layer 4a of the catalyst layer 4,
2 containing the same amount of PTFE adhesive as the first layer 4a
Carbon-supported platinum catalyst containing 0 wt% platinum 0.175 g
Is spray-coated and pressure-bonded to form a second layer 4b, which is baked in an N 2 atmosphere at 350 ° C. for 20 minutes to form the cathode 2
Was produced. In the cathode 2, the thickness of the second layer 4b on the surface side having a large content of platinum as the active component is
It became thinner than the thickness of the layer 4a. Regarding the anode 1, the same 100 mm square carbon paper as the cathode 2 was used as the porous substrate 1a, on which was added 0.25 g of a carbon-supported platinum catalyst containing 5 wt% platinum and PTFE.
A mixture obtained by adding an adhesive to a content of 50 wt% was spray-coated and pressure-bonded to form a single-layer catalyst layer 4, which was fired to prepare an anode 1. Then, the anode 1 and the cathode 2 were integrated by interposing the phosphoric acid-holding matrix layer 3 having SiC as a base material to prepare a unit cell (cell of the present invention).
【００３４】一方、比較のために、本発明セルと同じ多
孔質基体２ａの上に、本発明セルのカソードの全体の白
金含有量と同じ白金含有量を有するカーボン担持白金触
媒、すなわち、１０ｗｔ％白金含有のカーボン担持白金
触媒０．５ｇ（ＰＴＦＥ接着剤含有量４０ｗｔ％）を一
様に塗布し圧着して単層の触媒層４を形成し、これを焼
成してカソード２を作製するとともに、本発明セルと同
じアノード１を作製した。これらのアノード１およびカ
ソード２を、ＳｉＣを基材としたリン酸保持のマトリッ
クス層３を介在させて一体化し、単位セル（従来セル）
を作製した。On the other hand, for comparison, on the same porous substrate 2a as the cell of the present invention, a carbon-supported platinum catalyst having the same platinum content as the total platinum content of the cathode of the cell of the present invention, ie, 10 wt%. 0.5 g of platinum-containing carbon-supported platinum catalyst (PTFE adhesive content 40 wt%) is uniformly applied and pressure-bonded to form a single-layer catalyst layer 4, which is fired to form the cathode 2. The same anode 1 as the cell of the present invention was produced. These anode 1 and cathode 2 are integrated by interposing a phosphoric acid-holding matrix layer 3 based on SiC as a unit cell (conventional cell).
Was produced.
【００３５】そして、以上のように形成した本発明セル
と従来セルとについて、前記第１実施例と同様に、酸化
剤として空気を、燃料ガスとしてＨ2 ７０％＋ＣＯ2 ３
０％の天然ガス改質模擬ガスを流通し、常圧、２０７℃
の条件における出力特性を調べたところ、本発明セルに
おいては、前記第１実施例と同様、従来セルに比べて格
段に高い出力特性が得られた。たとえば、定格負荷２２
０ｍＡ／ｃｍ2 における端子電圧は約７ｍＶ向上した。Regarding the cell of the present invention and the conventional cell formed as described above, air was used as the oxidant and H 2 70% + CO 2 3 was used as the fuel gas, as in the first embodiment.
Circulating 0% natural gas reforming simulated gas, normal pressure, 207 ℃
When the output characteristics under the above condition were examined, the output characteristics of the cell of the present invention were remarkably higher than those of the conventional cell, as in the first embodiment. For example, the rated load 22
The terminal voltage at 0 mA / cm 2 was improved by about 7 mV.
【００３６】このように、本発明セルのカソード中の白
金含有量が従来セルの白金含有量と同一であるにもかか
わらず、本発明セルの特性が向上したのは、本発明セル
のカソード２においては、触媒利用率の高い表面側の白
金の濃度を高くすることにより、カソード反応が大幅に
促進されたためと考えられる。そして、このような方法
を用いることにより、前記第１実施例と同様に、白金な
どの活性成分の使用量を増やすことなく電池性能を向上
させることができ、電池本体のコストダウンが可能とな
る。また、カソード中の全白金含有量を従来より減らし
ても、上記のように表面側の白金担持量を高くすること
により、従来と同等の電池性能を実現することができ
る。Thus, although the platinum content in the cathode of the cell of the present invention was the same as the platinum content of the conventional cell, the characteristics of the cell of the present invention were improved because the cathode 2 of the cell of the present invention was improved. It is considered that the cathode reaction was significantly promoted by increasing the concentration of platinum on the surface side where the catalyst utilization rate is high. By using such a method, the battery performance can be improved without increasing the amount of the active component such as platinum used, as in the first embodiment, and the cost of the battery body can be reduced. . Further, even if the total platinum content in the cathode is reduced as compared with the conventional case, by increasing the amount of platinum supported on the surface side as described above, it is possible to realize the same battery performance as the conventional case.
【００３７】（３）他の実施例 なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではな
く、たとえば、前記の実施例を組み合わせて、触媒層を
２層構造とし、その表面側の第２層の活性成分の濃度を
第１層よりも高くするとともに、この第２層、あるいは
両方の層ともに、ガス流通ラインの下流側に向かって、
活性成分の濃度を上昇させるように構成することも可能
である。このように構成した場合には、電極平面の全体
にわたって均一な電流密度を得ることができるととも
に、電極の表面における反応速度を上昇させることがで
きるため、燃料電池の出力性能をさらに向上できる。(3) Other Embodiments The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments. For example, the above-mentioned embodiments are combined to form a catalyst layer having a two-layer structure, and the catalyst layer on the front surface side is formed. The concentration of the active ingredient in the two layers is made higher than that in the first layer, and the second layer, or both layers, are directed toward the downstream side of the gas distribution line.
It is also possible to arrange for increasing the concentration of the active ingredient. With such a configuration, a uniform current density can be obtained over the entire electrode plane and the reaction rate on the surface of the electrode can be increased, so that the output performance of the fuel cell can be further improved.
【００３８】また、前記第１、第２実施例においては、
電解質としてリン酸を使用した場合について説明した
が、本発明は、リン酸以外の電解質を使用した場合にも
同様に適用可能である。さらに、この技術分野の当業者
であれば、本発明に基づく多種多様の実施例をさらに提
案可能であるが、それらの実施例もまた本発明の範囲に
包含されるものである。Further, in the first and second embodiments,
Although the case where phosphoric acid is used as the electrolyte has been described, the present invention is similarly applicable to the case where an electrolyte other than phosphoric acid is used. Further, those skilled in the art can further suggest a wide variety of embodiments based on the present invention, and those embodiments are also included in the scope of the present invention.
【００３９】[0039]
【発明の効果】以上述べたように、本発明においては、
電極の触媒層の活性成分の濃度を、ガス流通ラインの上
流側から下流側に向かって上昇させるか、または、触媒
層を２層構造として、表面側の活性成分の濃度を高くす
ることにより、電極平面の電流密度を均一化するかまた
は活性成分の利用率を向上することができるため、燃料
電池の出力性能の向上に貢献可能な燃料電池用電極を提
供することができる。As described above, according to the present invention,
By increasing the concentration of the active component of the catalyst layer of the electrode from the upstream side to the downstream side of the gas flow line, or by forming the catalyst layer into a two-layer structure to increase the concentration of the active component on the surface side, Since the current density on the electrode plane can be made uniform or the utilization rate of the active component can be improved, it is possible to provide a fuel cell electrode that can contribute to the improvement of the output performance of the fuel cell.
【図１】本発明による燃料電池用電極を使用した単位セ
ルの第１実施例を示す分解斜視図。FIG. 1 is an exploded perspective view showing a first embodiment of a unit cell using a fuel cell electrode according to the present invention.
【図２】図１の単位セルと図５の単位セルとにおける出
力特性を比較的に示すグラフ。FIG. 2 is a graph relatively showing output characteristics of the unit cell of FIG. 1 and the unit cell of FIG.
【図３】本発明による燃料電池用電極を使用した単位セ
ルの第２実施例を示す分解斜視図。FIG. 3 is an exploded perspective view showing a second embodiment of a unit cell using the fuel cell electrode according to the present invention.
【図４】カソード触媒層の深さ方向の反応速度の分布を
示すグラフ。FIG. 4 is a graph showing the distribution of reaction rates in the depth direction of the cathode catalyst layer.
【図５】従来の単位セルの一例を模式的に示す斜視図。FIG. 5 is a perspective view schematically showing an example of a conventional unit cell.
１…アノード １ａ，２ａ…多孔質基体 ２…カソード ３…マトリックス層 ４…触媒層 ４ａ…第１層 ４ｂ…第２層 ５…燃料ガス流路 ６…酸化剤ガス流路 ７…燃料ガス流 ８…酸化剤ガス流 ２１…第１領域 ２２…第２領域 ２３…第３領域 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Anode 1a, 2a ... Porous substrate 2 ... Cathode 3 ... Matrix layer 4 ... Catalyst layer 4a ... 1st layer 4b ... 2nd layer 5 ... Fuel gas flow path 6 ... Oxidant gas flow path 7 ... Fuel gas flow 8 ... oxidant gas flow 21 ... first region 22 ... second region 23 ... third region
Claims (2)
媒層を有し、燃料電池の運転時には、反対側の表面上に
その表面に沿った方向で反応ガスを流通して発電に供す
る燃料電池用電極において、 前記触媒層を、その活性成分の濃度が前記反応ガスの流
通ラインの上流側から下流側に向かって段階的または連
続的に上昇するように構成したことを特徴とする燃料電
池用電極。1. A conductive porous substrate having a catalyst layer on one surface thereof, and during operation of a fuel cell, a reaction gas is circulated on the opposite surface in a direction along the surface for power generation. In the fuel cell electrode to be provided, the catalyst layer is configured such that the concentration of the active component thereof is increased stepwise or continuously from the upstream side to the downstream side of the reaction gas flow line. Electrodes for fuel cells.
媒層を有し、燃料電池の運転時には、反対側の表面上に
その表面に沿った方向で反応ガスを流通して発電に供す
る燃料電池用電極において、 前記触媒層を、前記多孔質基体側の第１層と表面側の第
２層とからなる２層構造とし、第２層の活性成分の濃度
が第１層の活性成分の濃度より高くなるように構成した
ことを特徴とする燃料電池用電極。2. A conductive porous substrate has a catalyst layer on one surface thereof, and when a fuel cell is operating, a reaction gas is circulated on the opposite surface in a direction along the surface to generate electricity. In the fuel cell electrode to be provided, the catalyst layer has a two-layer structure including a first layer on the side of the porous substrate and a second layer on the surface side, and the concentration of the active ingredient in the second layer is the activity of the first layer. An electrode for a fuel cell, characterized in that the concentration is higher than that of the components.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4302687A JPH06150944A (en) | 1992-11-12 | 1992-11-12 | Fuel cell electrode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4302687A JPH06150944A (en) | 1992-11-12 | 1992-11-12 | Fuel cell electrode |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06150944A true JPH06150944A (en) | 1994-05-31 |
Family
ID=17911990
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4302687A Pending JPH06150944A (en) | 1992-11-12 | 1992-11-12 | Fuel cell electrode |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06150944A (en) |
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1992
- 1992-11-12 JP JP4302687A patent/JPH06150944A/en active Pending
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